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基于双线性对的车联网批量匿名认证方案研究

更新时间：2019-12-30 08:07:38 大小：721K 上传用户：zhiyao6查看TA发布的资源 标签：车联网匿名认证 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

为解决当前车联网中匿名认证的效率问题,利用椭圆曲线上的双线性对的性质,提出一种批量匿名认证方案。通过路侧单元节点(RSU)与车辆共同生成签名,有效减轻了VANET认证中心的负担进而提高认证效率,并且增加了攻击者提取密钥的难度,并在随机预言模型中给出其安全性证明。分析表明,该方案能够满足多种安全需求,计算开销明显降低,认证效率得到有效提高。因此,该方案在计算性能受限的物联网(Io T,Internet of things)环境中,有着重要的理论意义与应用价值。


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第 38 卷第 6 期  
2017 年 6 月  
通
信
学
报
Vol.38 No.6  
June 2017  
Journal on Communications  
doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2017112  
基于双线性对的车联网批量匿名认证方案研究  
宋成，张明月，彭维平，贾宗璞，刘志中，闫玺玺  
（河南理工大学计算机科学与技术学院，河南 焦作 454003）  
摘 要：为解决当前车联网中匿名认证的效率问题，利用椭圆曲线上的双线性对的性质，提出一种批量匿名认证  
方案。通过路侧单元节点（RSU）与车辆共同生成签名，有效减轻了 VANET 认证中心的负担进而提高认证效率，  
并且增加了攻击者提取密钥的难度，并在随机预言模型中给出其安全性证明。分析表明，该方案能够满足多种安  
全需求，计算开销明显降低，认证效率得到有效提高。因此，该方案在计算性能受限的物联网（IoT, Internet of things）  
环境中，有着重要的理论意义与应用价值。  
关键词：双线性对；匿名认证；隐私保护；车联网；随机预言模型  
中图分类号：TP393  
文献标识码：A  
Research on batch anonymous authentication  
scheme for VANET based on bilinear pairing  
SONG Cheng, ZHANG Ming-yue, PENG Wei-ping, JIA Zong-pu, LIU Zhi-zhong, YAN Xi-xi  
(School of Computer Science and Technology, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China)  
Abstract: To solve the problem of efficiency of anonymous authentication in vehicular ad hoc network, a batch anony-  
mous authentication scheme was proposed by using bilinear pairing on elliptic curves . The signature was generated by  
the roadside unit node (RSU) and the vehicle together. Thus, the burden of VANET certification center was reduced and  
the authentication efficiency was proved. Meanwhile, the difficulty of the attacker to extract the key was increased. Fur-  
thermore, security proofs were given to the scheme in the random oracle model. Analysis shows that the proposed scheme  
can meet the needs of many kinds of security requirements, the computational overhead is significantly reduced, and the  
authentication efficiency is improved effectively too. Therefore, the scheme has important theoretical significance and  
application value under computational capability constrained Internet of things (IoT) environment.  
Key words: bilinear pairing, anonymous authentication, privacy protection, vehicular network, random oracle model  
备实现车辆与车辆（V2V）以及车辆与路侧单元  
1 引言  
（RSU，road side unit）（V2I）相互交流。在 VANET  
中车辆可以获得交通信息、娱乐信息，提高驾驶的  
安全性，进而提高驾驶体验。近年来，车辆自组织  
网络的许多应用与增值服务给人们带来了方便。  
然而，VANET 面临着独特的安全挑战，一方  
面，VANET 无线通信的本质使数据极易被监测、  
改变和伪造；另一方面，车辆都位于开放的物理  
空间，隐私（如驾驶人的身份、车牌号、位置和  
行程）的泄露会给司机与乘客的生命与财产安全  
随着车辆在现代社会的普及，停车难、交通拥  
堵、交通事故等一系列相关的交通问题频频发生。  
交通管理、安全驾驶和交通信息交换等问题越来越  
受到人们的关注。车辆自组织网络（VANET）作为  
智能交通系统的重要组成部分，是缓解和解决现有  
交通问题的关键。VANET 网络是一种节点为车辆  
[1]  
的特殊移动自组织网络（MANET） ，车辆配备了  
车载单元（OBU, on board unit），通过无线通信设  
收稿日期：2016-12-07；修回日期：2017-03-29  
基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.61300124, No.61300216）；河南省科技攻关计划基金资助项目（No.132102210123）  
Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China (No.61300124, No.61300216), The Science and Technology  
Research Program of Henan Province (No.132102210123)  
2017112-1  
·50·  
通
信
学
报
第 38 卷  
带来威胁，因此，VANET 安全问题逐渐引起重视。  
VANET 用户隐私保护的最基本方法是用户身份  
匿名认证。传统的匿名身份认证算法复杂，计算  
量大，认证效率相对较低。然而，尽管相对于  
MANET，VANET 中的车辆不受严格的能量、空  
间和计算能力限制[2,3]，但是，由于 VANET 中车  
辆的高动态性，即时通信体系与通信的安全性是  
目前 VANET 的重要需求。因此，通信开销是  
VANET 匿名认证过程中必须考虑的问题，在确保  
安 全 的 基 础 上 提 高 匿 名 认 证 效 率 也 是 当 前  
VANET 面临的重要挑战之一。  
车载单元（OBU）。每部分的具体职责如下。  
1) TA 可以是汽车制造商或运输管理部门，负  
责生成系统的全局安全参数并发布公共/私有密钥  
给所有参与者。  
2) RSU 是安装在道路两侧的通信设备，类似于  
无线传感网络的接入节点。RSU 与车辆之间使用  
DSRC 协议[10]进行通信。  
3) 在 VANET 中，每个车辆都配备了 OBU，  
OBU 与 RSU 或其他 OBU 之间通过 DSRC 协议进  
行通信。  
到目前为止，许多学者已经提出了 VANET 匿  
名认证方案[4~6]，但它们大多数都是基于公钥基础  
设施（PKI, public key infrastructure）的传统数字签  
名技术来验证消息，这些协议的计算和存储开销  
大，对 VANET 性能要求较高。为了解决 VANET  
中匿名认证方案通信与计算开销大的问题，近年  
来，批量认证的思想在 VANET 应用中引起了高度  
关注。研究者们提出了基于批量认证的方案提高认  
证效率。文献[7]提出了一种有效的批量验证方案，  
用于 RSU 与 OBU 之间通信，此方案能够实现 RSU  
同时对多个车辆进行验证，总验证时间有所减少，  
但是该方案过分依赖于车辆的防篡改装置。SPECS  
方案[8]介绍了一种安全与隐私加强的批量验证协  
议，在完成批量验证之后一车辆可以同任意车辆形  
成群组，并且可以在无 RSU 的参与下彼此之间进  
行安全通信。但文献[9]证实 SPECS 方案是不能抵  
抗伪装攻击的，并且攻击者可以伪装成合法车辆发  
布假消息甚至能假冒合法车辆与其他车辆进行安  
全通信。  
图 1 VANET 网络模型  
2.2 双线性对  
双线性对[11]理论是本文方案的基础。  
设G 是阶为素数 q 的加法循环群，G2 是阶为素  
1
数 q 的乘法循环群，双线性对 e :G G G2 满足以  
1
1
下性质。  
针对现有方案存在的不足，本文利用椭圆曲  
线上的双线性对性质，提出一种改进的安全高效  
的车联网批量匿名认证方案。本文对方案的正确  
性、匿名性、抗中间人攻击、前向和后向私密性  
等相关安全性质进行了理论证明，并利用随机预  
言模型证明了其不可伪造性。最后，与现有方案  
执行效率的比较分析结果表明，本文方案具有更  
高的认证效率。  
双线性： P, R,QG , a,bZq ，有  
1
ab  
e(aP,bQ) e(P,Q)  
e(P,Q R) e(P,Q)e(P, R)  
e(P Q, R) e(P, R)e(Q, R)  
非退化性： P,QG ，满足 e(P,Q) 1。  
1
可计算性： P,QG ，存在算法能够在多项  
1
式时间内计算 e(P,Q) 。  
对称性：P,QG , e(P,Q)=e(Q, P) 。  
1
2 预备知识  
2.3 批量认证  
假 设 方 案 中 各 步 骤 都 正 常 进 行 ， 则 对 于  
2.1 VANET 网络模型  
i(1,n) ，有认证参数 Verify (si ,mi ,Ci ) ，其中，si  
如图 1 所示，系统模型包括 3 个部分：可信服  
务中心（TA，trust agency）、路侧单元（RSU）和  
为最终签名信息，mi 为消息，Ci 为随机化参数，  
2017112-2  

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